KR100963472B1 - Metallic fuel rod in metal sheath including metallic fuel particles and a preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속핵연료봉 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 분무법으로 제조된 금속 입자를 핵연료로 충전시켜 고준위 핵폐기물 발생을 감소시키고 경제성을 향상시킬 수 있으며, 상기 금속 핵연료 입자를 충전시킨 금속 시스를 피복관에 삽입하여 핵연료연소시 핵연료/피복관 화학적, 기계적 상호작용을 방지된 금속 핵연료봉을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 핵연료봉을 이용하여 안정성이 확보된 원자로를 제공할 수 있다. The present invention relates to a metal fuel rod including a metal sheath encapsulated with metal fuel particles and a method for manufacturing the same. Specifically, the metal particles prepared by the spraying method are filled with nuclear fuel to reduce the generation of high-level nuclear waste and improve economic efficiency. The metal sheath filled with the metal fuel particles may be inserted into a coating tube to prepare a metal fuel rod that is prevented from chemical and mechanical interactions during fuel combustion, and the stability may be achieved using the fuel rod. It can provide a secured reactor.

금속 핵연료 입자, 소듐금속냉각로, 우라늄-지르코늄 합금, 가스분무, 원심분무, 진동충전, 금속 시스(Sheath) Nuclear Fuel Particles, Sodium Metal Cooling Furnace, Uranium-Zirconium Alloys, Gas Spray, Centrifugal Spray, Vibration Filling, Metal Sheath

Description

금속 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속핵연료봉 및 이의 제조방법{Metallic fuel rod in metal sheath including metallic fuel particles and a preparation method thereof} Metallic fuel rod including a metal sheath encapsulated with metal fuel particles and a method for manufacturing the same

본 발명은 금속 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속핵연료봉 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a metal fuel rod comprising a metal sheath encapsulated with metal fuel particles and a method of manufacturing the same.

세계의 에너지 수요는 현재 대비 2050년에는 두 배 이상, 2100년까지는 세 배 이상 가파르게 증가할 것으로 전망되어 미래의 에너지 수급문제는 오늘날 운전되고 있는 기존의 발전 방식을 이용한 단순한 발전량 증가로는 해결될 수 없으며 청정하고 안전하며 경제성과 신뢰성을 갖춘 전력생산 방식이 필요하다.The world's energy demand is expected to increase more than twice in 2050 and more than three times by 2100. The future energy supply and demand problem can be solved by simply increasing the amount of electricity generated by the existing power generation system that is operating today. It requires clean, safe, economical and reliable power generation.

현재 원자력은 세계적으로 31개국에서 441기의 원자로가 가동되고, 전체 전력 생산량에서 약 17%를 차지하고 있으며, 거의 10억 명이 사용하는 전력을 공급하고 있다. 프랑스를 포함한 일부 선진 국가들은 전체 전력공급에서 반 이상을 원자력에 의존하고 있으며, 다른 32개 국가들은 현재 원자로를 가동 중이거나 건설 또 는 기획 중에 있다. 세계적으로 원자력은 신뢰성 있고, 환경 친화적인 방식으로 대기에 온실효과 가스를 배출하지 않으면서 전력을 생산하고 있으며, 또한 우수한 운전 기록을 보여주고 있다. 이에, 청정하고, 안전하며 경제성과 신뢰성을 갖춘 전력생산 방법으로는 원자력 발전이 가장 근접하다. 나아가, 현재 유가의 급등, 기후변화, 대기 오염, 에너지 안보 및 자원 매장량의 한정성 등에 대한 우려로 미래의 에너지 공급에 있어서 원자력의 역할이 더욱 중요하게 인식되고 있다.Nuclear power now operates 441 reactors in 31 countries around the world, accounting for about 17% of the total electricity production, and supplies nearly 1 billion people. Some developed countries, including France, rely on nuclear for more than half of their total electricity supply, and 32 other countries are currently operating, constructing or planning nuclear reactors. Globally, nuclear power produces electricity without releasing greenhouse gases into the atmosphere in a reliable and environmentally friendly manner and also has an excellent record of operation. Thus, nuclear power generation is the closest to a clean, safe, economical and reliable power generation method. In addition, the role of nuclear power in future energy supply is becoming more important due to concerns about soaring oil prices, climate change, air pollution, energy security and limited resource reserves.

미국 에너지부(DOE)의 원자력 에너지 과학 기술국(Office of Nuclear energy, Science and Technology)은 은 상기의 원자력의 필요성을 기초하여 “제4세대(Generation IV)로 명명된 차세대 원자력에너지 시스템에 대해 정부, 산업체 및 연구기관이 망라된 범세계적 협의 포럼을 결성했다. 제4세대 원자로는 현재 세계적으로 가동 중인 원전의 대부분이 퇴역하거나 운전 종료시점에 다다를 2030년경에 세계적으로 전개해나가는 것을 목표로 새롭게 개발할 혁신 개념의 원자로이다. 상기 제4세대 원자로의 후보군은 하기와 같다.The Office of Nuclear Energy, Science and Technology of the US Department of Energy (DOE) said that based on the need for nuclear power, the government, for its next generation nuclear energy system named "Generation IV," A global consultation forum was formed, covering industry and research institutes. The fourth-generation reactor is a new concept of innovation that will be developed with the goal of deploying globally around 2030 when most of the nuclear power plants in operation around the world are either retired or shut down. Candidate groups for the fourth generation reactor are as follows.

1. 초고온 가스 냉각로(Very High Temperature Reactor,VHTR) 1.Very High Temperature Reactor (VHTR)

초고온 가스 냉각로는 후보 원자로 중에서 건설에 가장 가까이 근접해 있는 노형으로, 차세대 원전(NGNP)이라고 불린다. 초고온 가스 냉각로는 전력 및 수소생산에 활용되고 2016 ~ 2017년까지 낮은 비용으로 수소를 생산할 수 있는 실 규모 실증로를 INL(Idaho National Laboratory)에 건설하는 계획이 잡혀있다. 냉각재는 헬륨이고, 감속재는 그래파이트이며 출구 온도가 1000 ℃이상인 열중성자 스펙트럼 원자로이고, 원자로 열 출력은 400-600 MWt이다.The ultra-high temperature gas cooler is the furnace closest to construction among the candidate reactors and is called NGNP. The ultra-high temperature gas cooler is planned to be built in the Idaho National Laboratory (INL), a full-scale demonstration that can be used for power and hydrogen production and produce hydrogen at low cost from 2016 to 2017. The coolant is helium, the moderator is graphite, a thermal neutron spectral reactor with an outlet temperature above 1000 ° C, and the reactor heat output is 400-600 MWt.

2. 납 냉각고속로 (Lead-Cooled Fast Reactor,LFR) 2. Lead-Cooled Fast Reactor (LFR)

납 냉각고속로개발 프로그램에서 지향하는 것은 실증을 통해 2025년까지 상용화 준비가 되도록 상대적으로 소형(10-100MWe)인 납 또는 납-비스무스 냉각 고속증식로를 개발하는 것이다. LFR은 10-30년의 초장주기를 갖는 카세트 노심 또는 밀봉 교체 원자로 모듈을 갖는 폐 연료주기의 턴키 원전이 고려되고 있다. The lead in the lead cooling fast reactor development program is to develop a relatively small (10-100 MWe) lead or lead-bismuth cooling fast growing reactor to be ready for commercialization by 2025 through demonstration. LFR is considered a turnkey nuclear power plant in a closed fuel cycle with a cassette core or sealed replacement reactor module with an ultra-long cycle of 10-30 years.

3. 가스 냉각 고속로(Gas-Cooled Fast Reactor,GFR) 3. Gas-Cooled Fast Reactor (GFR)

가스 냉각 고속로는 고속중성자 및 순환 연료주기를 갖는 노형으로 액티나이드의 현장 부지 내 완전 재활용을 가능하게 하는 원자로이다. 열 중성자 헬륨 냉각로GT-MHR(Gas-Turbine Modular Helium Reactor)과 PBMR(Pebble Bed Modular Reactor)에서와 같이 고온의 헬륨 출구온도는 전기, 수소 및 공정열을 높은 효율로 생산가능하다. 가스 냉각 고속로는 850 ℃에서 42%의 효율을 갖는 직접주기 (direct-cycle) 헬륨 터빈을 사용한다. Gas-cooled fast reactors are reactors with fast neutrons and circulating fuel cycles that allow for complete recycling of actinide on-site. Thermal neutron helium coolers, such as GT-MHR (Gas-Turbine Modular Helium Reactor) and PBMR (Pebble Bed Modular Reactor), can produce high-efficiency heat, hydrogen and process heat with high efficiency. The gas-cooled fast reactor uses a direct-cycle helium turbine with an efficiency of 42% at 850 ° C.

4. 초임계수 냉각로(Supercritical Water-Cooled Reactor, SCWR) 4. Supercritical Water-Cooled Reactor (SCWR)

초임계수 냉각로는 종래 경수로와 초임계 화력 보일러기술을 기초로 열역학적으로 물의 임계점(374 ℃, 22.1MPa)을 초과하는 고온 및 고압에서 운전되는 초임 계 원자로로서 효율이 기존 경수로의 33%정도에 비해 약 45%로 높은 효율성을 가진 원자로서 저비용 발전단가를 실현할 수 있다.Supercritical Water Cooling Furnace is a supercritical reactor operated at high temperature and high pressure which is thermodynamically above water critical point (374 ℃, 22.1MPa) based on the conventional light water reactor and supercritical thermal boiler technology. With about 45% higher efficiency atoms, low cost power generation costs can be realized.

5. 용융염 원자로(Molten-Salt Cooled Reactor,MSR) 5. Molten-Salt Cooled Reactor (MSR)

MSR은 열중성자 스펙트럼 순환 연료주기를 가지며 전기 및 수소생산, 플루토늄과 마이너 액티나이드의 효율적 연소 및 핵분열 연료(fissile fuel)의 생산을 위한 원자로이다 MSR의 연료는 소듐, 질코늄 및 우라늄 플루오르화물(fluoride)이 합해진 순환 액체 혼합물이다. 용융염 연료 (molten salt fuel)는 그라파이트 노심 채널을 통해 흐르며 열중성자 스펙트럼을 발생시킨다. MSR has a thermal neutron spectral cyclic fuel cycle and is a reactor for the production of electricity and hydrogen, efficient combustion of plutonium and minor actinides, and the production of fissile fuel. MSR's fuel is sodium, zirconium and uranium fluoride. This is a combined circulating liquid mixture. Molten salt fuel flows through the graphite core channel and generates a thermal neutron spectrum.

6. 소듐냉각고속로(Sodium-Cooled Fast Reactor,SFR) 6. Sodium-Cooled Fast Reactor (SFR)

소듐냉각고속로는 금속인 소듐(Na)을 냉각재로 사용하는 액체금속로(Liquid Metal Reactor)로서 고속중성자 스펙트럼 순환 연료주기를 갖고, 액티나이드 재활용 주기에서 금속(우라늄-플루토늄-마이너 액티나이드-지르코늄) 연료 또는 MOX(우라늄-플루토늄 산화)연료를 사용할 수 있다. 나아가, 상기 소듐냉각고속로의 출력은 모듈형의 수백 MWe급에서 1500-1700MWe에 이르기까지 다양한 크기로 개발될 수 있다. 특히 소듐냉각고속로는 연료를 반복해서 재활용함으로써 우라늄 자원을 60배 이상으로 활용할 수 있고 방사성폐기물의 양도 획기적으로 줄일 수 있다.The Sodium Cooling Express is a liquid metal reactor that uses sodium (Na) as a coolant, and has a fast neutron spectral cycle fuel cycle and a metal (uranium-plutonium-minor actinide-zirconium) in the actinide recycling cycle. ) Fuel or MOX (uranium-plutonium oxide) fuel may be used. Furthermore, the output of the sodium cooling fastway can be developed in various sizes ranging from several hundred MWe class to 1500-1700 MWe modular. In particular, the sodium cooling expressway can utilize uranium resources more than 60 times by repeatedly recycling fuels, and dramatically reduce the amount of radioactive waste.

상기 원자로 중, 우리나라는 초고온 가스 냉각로, 가스 냉각 고속로, 초임계 수 냉각로 및 소듐냉각고속로의 연구에 참여하고 있다. Among the nuclear reactors, Korea is participating in the research of ultra high temperature gas cooling furnace, gas cooling high speed furnace, supercritical water cooling furnace and sodium cooling high speed furnace.

특히, 소듐냉각 고속로는 전 세계적으로 지난 50여년간 약 500억불에 달하는 개발비를 투자했고 약 300 원자로ㆍ년의 운전 실적을 쌓은 상용화 가능성이 가장 높은 기술이다.In particular, sodium cooling high-speed reactors have invested about $ 50 billion in development costs over the last 50 years and are the most commercially available technologies with 300 reactors and years of operation.

소듐냉각 고속로용 금속핵연료봉은 종래 사출주조법으로 직경 4 ~ 7 mm의 rod 형태로 제조된다. 사출주조법에 의한 금속연료심 제조는 도가니에 용해되어있는 우라늄합금 용탕을 가압하여 석영관 주형에 주입시켜서 응고시킨 다음, 석영관주형을 파손, 해체하여 연료심을 회수한다. 핵연료심으로부터 분리, 해체된 다량의 석영관은 주조공정에서 다량 발생하며 방사성 폐기물로 취급되어 처리가 용이하지 않은 문제가 있다. The metal fuel rod for sodium cooling high speed furnace is manufactured in the form of a rod having a diameter of 4 to 7 mm by a conventional injection casting method. In the manufacture of metal fuel cores by the injection casting method, the molten uranium alloy melted in the crucible is injected into a quartz tube mold to coagulate, and the fuel tube is recovered by breaking and dismantling the quartz tube mold. A large amount of quartz tube separated and dismantled from the nuclear fuel core is generated in a large amount in the casting process and is treated as a radioactive waste, which is not easy to treat.

또한 우라늄합금 용탕이 도가니로부터 석영관주형으로 흡입되고 남은 잔탕이 도가니에서 응고되어 다량의 heel이 발생된다. 감압주조 동안 주형으로의 용탕 주입과정과 도가니와 주형의 분리과정에서 형태나 치수에 있어서 불량 또는 불건전성으로 인해 금속핵연료심 불합격 부분이 다량 발생하여 장입량 대비 품질검사 합격 수율이 50% 대로 매우 저조한 문제가 있다. 나아가, 감압주조방법으로 주조시 석영관주형 내부는 진공상태를 만들어서, 감압주조로는 가압을 하여, 즉 석영관주형 외부와 압력 차이가 발생하도록 하여 그 압력차이 만큼 우라늄용탕이 주형내로 흡입되도록 한다. 이에, 진공중에서 우라늄합금을 용해하는 것이 필요하다. 이때 사 용후 핵연료에서 추출된 장수명 소멸처리 핵종인 Am 등은 용해주조 동안에 포집하여 핵종 변환을 하여야 하지만, 휘발성이 강하여 대부분 증발하는 문제가 있다. In addition, the uranium alloy molten metal is sucked from the crucible into the quartz tube mold, and the remaining residue solidifies in the crucible to generate a large amount of heel. In the process of injection of molten metal into the mold during decompression molding and the separation of the crucible and the mold, a large number of metal fuel core failures occurred due to defects or imperfections in shape or dimensions, resulting in a very poor yield rate of 50% compared to the charged amount. There is. Furthermore, when casting by the pressure reduction casting method, the inside of the quartz tube mold is made in a vacuum state, and the pressure reducing furnace is pressurized, that is, a pressure difference is generated from the outside of the quartz tube mold so that the molten uranium is sucked into the mold by the pressure difference. . Therefore, it is necessary to dissolve the uranium alloy in vacuum. In this case, Am, a long-life extinction-treated nuclide extracted from spent nuclear fuel, must be collected during dissolution casting and converted to nuclide, but there is a problem that most of them evaporate due to strong volatility.

핵연료는 직경 4~7mm의 rod 형태로서 핵연료 중심부는 650℃ 이상의 고온 상태로서, 외주부와 100℃ 이상의 핵연료 온도차이가 생겨서 지르코늄, 악티움 계열원소(minor actinide), 희토류등의 재분배 이동이 발생하여 핵연료내에서 부위에 따라 핵연료 조성이 다르며 연소거동의 차이를 나타낸다. 특히, 연소 초기에 급격히 발생되는 팽윤은 피복재와의 접촉이 야기되며, 스칸듐, 이트륨, 란탄, 세륨 프라세오디늄 등의 희토류금속, 네오디뮴, 넵투늄, 플루토늄, 아메리슘 퀴륨등의 악티늄 계열 원소 등이 피복재와 화학적, 물리적으로 상호반응을 하여 핵연료/피복관의 화학적 상호작용(FCCI,fuel/cladding chemical interaction) 및 기계적 상호작용(FCMI,fuel/cladding mechanical interaction)을 유발하여 피복재를 손상시키고 핵연료 수명을 단축시키며 핵연료 재순환비용을 증가시키는 문제가 있다.The nuclear fuel is rod-shaped with a diameter of 4-7mm, and the center of the nuclear fuel is at a high temperature of 650 ° C or higher.As a result of temperature difference between the outer circumference and the nuclear fuel of 100 ° C or higher, redistribution movement of zirconium, minor actinide, and rare earth occurs. Nuclear fuel composition varies depending on the part within and shows the difference in combustion behavior. In particular, swelling that occurs suddenly at the beginning of combustion causes contact with the coating material, and rare earth metals such as scandium, yttrium, lanthanum, cerium praseodynium, and actinium-based elements such as neodymium, neptunium, plutonium, and americium quium Chemically and physically react with each other to induce chemical / fuel / cladding chemical interactions (FCCI) and mechanical interactions (FCMI), which can damage cladding and shorten fuel life. There is a problem of increasing fuel recycle costs.

이러한 문제로 인해 소듐냉각 고속로는 그 동안의 연구개발을 통해 기술적 타당성은 입증됐지만 불리한 경제성과 일련의 사고발생으로 안전성에 대한 문제를 해결하는 것이 가장 요구된다.Due to these problems, the sodium cooling highway has been proven technically feasible through research and development, but it is most required to solve the safety problem due to unfavorable economics and a series of accidents.

이에 본 발명자들은 분무법으로 제조된 금속 입자를 핵연료로 충전시켜 고준위 핵폐기물 발생을 감소시키고 경제성을 향상시킬 수 있으며, 상기 금속 핵연료 입자를 충전시킨 금속 시스를 피복관에 삽입하여 핵연료연소시 핵연료/피복관 화학 적, 기계적 상호작용을 방지하여 안전성이 확보된 금속 핵연료봉을 개발하여 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present inventors can reduce the generation of high-level nuclear waste and improve the economic efficiency by filling the metal particles prepared by the spraying method with nuclear fuel, and inserting a metal sheath filled with the metal fuel particles into the cladding to provide fuel / coating chemistry during fuel combustion. The present invention has been completed by developing a metal nuclear fuel rod that has safety by preventing red and mechanical interactions.

본 발명의 목적은 금속 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속핵연료봉을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a metal fuel rod comprising a metal sheath encapsulated with metal fuel particles.

본 발명의 다른 목적은 금속 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속핵연료봉의 제조방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a method for producing a metal fuel rod comprising a metal sheath enclosed with metal fuel particles.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 크기가 상이한 금속 핵연료 입자를 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속 핵연료봉을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a metal fuel rod comprising a metal sheath encapsulated metal fuel particles of different sizes.

나아가, 본 발명은 상기 금속 핵연료봉의 제조방법을 제공한다. Furthermore, the present invention provides a method for producing the metal nuclear fuel rods.

본 발명에 의하면, 분무법으로 제조된 금속 입자를 핵연료로 충전시켜 고준위 핵폐기물 발생을 감소시키고 경제성을 향상시킬 수 있으며, 상기 금속 핵연료 입자를 충전시킨 금속 시스를 피복관에 삽입하여 핵연료연소시 핵연료/피복관 화학적, 기계적 상호작용을 방지된 금속 핵연료봉을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 핵연료봉을 이용하여 안정성이 확보된 원자로를 제공할 수 있다. According to the present invention, it is possible to reduce the generation of high-level nuclear waste and to improve the economic efficiency by filling the metal particles prepared by the spraying method with nuclear fuel, and inserting the metal sheath filled with the metal fuel particles into the cladding tube for fuel / coating tube during nuclear fuel combustion. In addition to manufacturing a metal fuel rod prevented from chemical and mechanical interactions, the nuclear fuel rod may be used to provide a nuclear reactor having stability.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 피복관 내부에 조대한 금속 핵연료 입자와 미세한 금속 핵연료 입자를 포함하는 금속 시스(sheath) 및 액체 나트륨을 포함하여 구성되는 금속 핵연료봉을 제공한다(도 1 참조). The present invention provides a metal fuel rod comprising a metallic sheath and liquid sodium comprising coarse metal fuel particles and fine metal fuel particles in a cladding tube (see FIG. 1).

본 발명에 따른 금속 핵연료 입자는 우라늄과 지르코늄 합금; 우라늄, 지르코늄 및 희토류 원소의 합금; 및 우라늄, 지르코늄, 희토류 계열 원소, 악티늄 계열 원소의 합금으로 소듐 냉각 고속로(Sodium-cooled fast reactor, SFR)용 핵연료로 사용된다. 상기 합금은 불활성분위기에서 용해, 분말제조가 가능하기 때문에 휘발성이 강한 희토류, 악티늄 계열의 원소가 증발되지 않으므로 소듐 냉각 고속로에서 장수명 핵종 소멸처리가 가능한 금속핵연료로 사용할 수 있다. 상기 희토류 원소는 스칸듐, 이트륨, 란탄, 세륨 또는 프라세오디늄을, 상기 악티늄 계열 원소는 네오디뮴, 넵투늄, 플루토늄, 아메리슘 또는 퀴륨을 사용할 수 있다.Metallic fuel particles according to the present invention are uranium and zirconium alloys; Alloys of uranium, zirconium and rare earth elements; And an alloy of uranium, zirconium, rare earth-based elements, and actinium-based elements, and is used as a nuclear fuel for sodium-cooled fast reactor (SFR). Since the alloy can be dissolved and powdered in an inert atmosphere, rare earths and actinium-based elements having high volatility are not evaporated, and thus the alloy can be used as a metal fuel capable of long-life nuclide extinction in a sodium-cooled fast reactor. The rare earth element may be scandium, yttrium, lanthanum, cerium or praseodynium, and the actinium-based element may be neodymium, neptunium, plutonium, americium or querium.

본 발명에 따른 조대한 금속 핵연료 입자는 0.1 ~ 1 mm인 것이 바람직하다. 이때, 조대한 금속 핵연료 입자가 1 mm를 초과하면 입자 충진밀도가 낮아지는 문제가 있고, 0.1 mm이면 미세한 입자가 장입 될 공극이 줄어드는 문제가 있다. 나아가, 미세한 금속 핵연료 입자는 0.01 ~ 0.1 mm인 것이 바람직하다. 상기 미세한 금속 핵연료 입자가 0.01 mm이면 취급이 용이하지 않은 문제가 있다.Coarse metal fuel particles according to the present invention is preferably 0.1 to 1 mm. In this case, when the coarse metal nuclear fuel particles exceed 1 mm, the particle filling density is lowered, and when the coarse metal nuclear fuel particles are smaller than 0.1 mm, the pores to which the fine particles are charged are reduced. Further, the fine metal fuel particles are preferably 0.01 to 0.1 mm. If the fine metal fuel particles are 0.01 mm, handling is not easy.

본 발명에 따른 금속 핵연료봉에 포함되는 금속 시스 내 핵연료 입자의 입자충진밀도는 70 ~ 80%인 것이 바람직하다. 상기 입자충진밀도(smear density)가 80%를 초과하면 조사초기에 핵연료가 급속히 팽윤되어 핵연료봉을 기계적 변형을 일으키는 문제가 있고, 70% 미만이면 연료효율이 낮은 문제가 있다.The particle filling density of the fuel particles in the metal sheath included in the metal fuel rod according to the present invention is preferably 70 to 80%. When the particle density exceeds 80%, the nuclear fuel swells rapidly at the initial stage of irradiation to cause mechanical deformation of the nuclear fuel rod, and if it is less than 70%, there is a problem of low fuel efficiency.

나아가, 조대한 금속 핵연료 입자와 미세한 금속 핵연료 입자의 직경비는 5:1 ~ 15:1이고, 조대한 금속 핵연료와 미세한 금속 핵연료 입자의 혼합비는 1:1 ~ 1:9인 것이 바람직하다. 상기 조대한 금속 핵연료 입자와 미세한 금속 핵연료 입자의 직경비 및 혼합비가 상기 범위에서 벗어나면 70 ~ 80 %인 입자충진밀도가 범위를 벗어나는 문제가 있다. Furthermore, the diameter ratio of the coarse metal fuel particles and the fine metal fuel particles is 5: 1 to 15: 1, and the mixing ratio of the coarse metal fuel and the fine metal fuel particles is 1: 1 to 1: 9. If the diameter ratio and the mixing ratio of the coarse metal fuel particles and the fine metal fuel particles are out of the above range, there is a problem that the particle filling density of 70 to 80% is out of range.

본 발명에 따른 금속 핵연료봉에 포함된는 금속 시스는 금속핵연료입자를 포함하여 조사시 직경방향으로 치수변화에 구속력을 부가하여 핵연료가 팽윤되는 것을 저감시키고, 피복관과 핵연료가 직접적으로 접촉되는 것을 방지시켜 화학 반응을 방지하여 피복관/핵연료 화학적 상호작용(Fuel/cladding chemical interaction, FCCI) 및 기계적 상호작용을 저하시킴으로써 화학적, 기계적으로 안정한 금속핵연료봉을 제조할 수 있다. 이때, 상기 금속 시스는 지르코늄, 크롬, 바나듐, 몰리브데늄, 니오븀 또는 티타늄 등으로 이루어질 수 있다.The metal sheath included in the metal fuel rod according to the present invention includes metal fuel particles, thereby restricting the swelling of the nuclear fuel by adding a binding force to the dimensional change in the radial direction during irradiation, and preventing direct contact between the cladding tube and the fuel. Chemically and mechanically stable metal fuel rods can be produced by preventing chemical reactions to reduce the fuel / cladding chemical interaction (FCCI) and mechanical interactions. In this case, the metal sheath may be made of zirconium, chromium, vanadium, molybdenum, niobium or titanium.

또한, 본 발명에 따른 금속 핵연료봉의 피복관은 스테인레스 스틸을 사용할 수 있다.In addition, the cladding tube of the metal nuclear fuel rod according to the present invention may use stainless steel.

또한 본 발명은 금속 핵연료 입자를 제조하고 분급시키는 단계(단계 1);The present invention also provides a method for preparing and classifying metal fuel particles (step 1);

단계 1에서 분급된 조대한 금속 핵연료 입자를 금속 시스 내에 진동 충전시키는 단계(단계 2);Vibration filling the coarse metal nuclear fuel particles classified in step 1 into the metal sheath (step 2);

조대한 금속 핵연료 입자가 충전된 상기 단계 2의 금속 시스에 미세한 금속 핵연료 입자를 진동 침투 충전시킨 후 피복관에 삽입하는 단계(단계 3);Inserting the metal sheath of step 2 filled with coarse metal fuel particles into the sheath by vibrating and filling the fine metal fuel particles with fine metal fuel particles (step 3);

상기 단계 3의 피복관에 핀형의 고체 나트륨을 장전시키고, 진공상태에서 가열하여 용해시킨 후, 불활성기체를 주입하면서 냉각시켜 고체 나트륨을 핵연료봉에 충전시키는 단계(단계 4);Loading the pin-shaped solid sodium into the cladding tube of step 3, dissolving by heating in a vacuum state, and cooling the solid sodium into the nuclear fuel rod by injecting an inert gas (step 4);

금속 핵연료 입자 및 충전된 피복관 내부에 진공 또는 불활성 기체 분위기를 조성하고 용접하여 핵연료봉을 제조하는 단계(단계 5); 및Preparing a nuclear fuel rod by forming and welding a vacuum or inert gas atmosphere inside the metal fuel particles and the filled sheath (step 5); And

상기 단계 5의 핵연료보을 가열시키면서 상기 단계 4에서 충전된 나트륨을 핵연료심에 결합(bonding)시키는 단계(단계 6)를 포함하는 금속 핵연료봉의 제조방법을 제공한다(도 2 참조). It provides a method of manufacturing a metal fuel rod comprising the step (step 6) of bonding the sodium charged in the step 4 to the nuclear fuel core while heating the nuclear fuel beam of step 5 (see Fig. 2).

이하, 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail step by step.

본 발명에 따른 상기 단계 1의 금속 핵연료 입자는 우라늄과 지르코늄 합금; 우라늄, 지르코늄 및 희토류 원소의 합금; 및 우라늄, 지르코늄, 희토류 원소, 악 티늄 계열 원소의 합금을 사용할 수 있다.The metal nuclear fuel particles of step 1 according to the present invention are uranium and zirconium alloy; Alloys of uranium, zirconium and rare earth elements; And alloys of uranium, zirconium, rare earth elements, and actinium-based elements.

이때, 상기 희토류 원소는 스칸듐, 이트륨, 란탄, 세륨 또는 프라세오디늄이고, 상기 악티늄 계열 원소는 네오디뮴, 넵투늄, 플루토늄, 아메리슘 또는 퀴륨을 사용하는 것이 바람직하다. In this case, the rare earth element is scandium, yttrium, lanthanum, cerium or praseodynium, and the actinium-based element is preferably neodymium, neptunium, plutonium, americium or querium.

또한, 상기 단계 1의 금속 핵연료 입자는 가스분무 또는 원심분무에 의해 제조될 수 있다.In addition, the metal nuclear fuel particles of step 1 may be prepared by gas spraying or centrifugal spraying.

상기 입자제조에 있어서 가스분무는 불활성 분위기에서 용해된 우라늄-지르코늄 합금을 일정 분무가스압으로 노즐을 통해 분무한 후 급속응고시켜 제조할 수 있으며, 원심분무는 도가니에서 용해된 우라늄-지르코늄 합금을 불활성 분위기에서 노즐을 통해 출탕하여 회전하는 원반에 용탕을 공급시키고, 분무시켜 금속 핵연료 입자를 제조할 수 있다. In the production of particles, the gas spray can be prepared by spraying a uranium-zirconium alloy dissolved in an inert atmosphere through a nozzle at a constant spraying gas pressure and then rapidly solidifying. The centrifugal spraying is performed by injecting the uranium-zirconium alloy dissolved in a crucible into an inert atmosphere. The molten metal is supplied to the rotating disk by tapping through a nozzle at and sprayed to prepare metal nuclear fuel particles.

상기 단계 1에서 분급된 조대한 금속 핵연료 입자 직경과 미세한 금속 핵연료 입자 직경의 비는 5:1 ~ 15:1이 되도록 수행될 수 있다. 상기 조대한 금속 핵연료 입자와 미세한 금속 핵연료 입자의 직경비가 상기 범위에서 벗어나면 70 ~ 80 %인 입자충진밀도가 범위를 벗어나는 문제가 있다. 나아가, 조대한 금속 핵연료 입자는 0.1 ~ 1 mm인 것이 바람직하다. 상기 미세한 금속 핵연료 입자가 0.01 mm 미만이면 취급이 용이하지 않은 문제가 있다.The ratio of the coarse metal nuclear fuel particle diameter and the fine metal nuclear fuel particle diameter classified in step 1 may be performed to be 5: 1 to 15: 1. If the diameter ratio of the coarse metal fuel particles and the fine metal fuel particles is out of the range, there is a problem that the particle filling density of 70 to 80% is out of range. Furthermore, the coarse metal nuclear fuel particles are preferably 0.1 to 1 mm. If the fine metal fuel particles are less than 0.01 mm, handling is not easy.

본 발명에 따른 단계 2는 상기 단계 1에서 분급된 조대한 금속 핵연료 입자 를 금속 시스 내에 진동충전시키는 단계이다.Step 2 according to the present invention is a step of vibrating the coarse metal nuclear fuel particles classified in step 1 into the metal sheath.

금속 시스 충전된 조대한 금속 핵연료입자는 진동충전시켜 금속 시스내에 치밀한 적층구조를 이룰 수 있다. 상기 진동충전은 진동 분말 충전 장치를 금속 시스에 하단에 위치시키고, 진동을 가하여 수행할 수 있다. 나아가, 상기 금속 시스에 깔대기를 설치 후 금속 핵연료입자를 충전하여, 금속 핵연료 입자가 소실되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 상기 진동은 특별히 제한되지 않으나, 초음파 진동을 사용하며, 상기 금속 시스는 지르코늄으로 이루어지는 것이 바람직하다. The metal sheath-filled coarse metal nuclear fuel particles can be vibrated to form a dense stacked structure within the metal sheath. The vibration filling may be performed by placing a vibrating powder filling device on the bottom of the metal sheath and applying vibration. Furthermore, after the funnel is installed in the metal sheath, the metal fuel particles can be filled to prevent the metal fuel particles from being lost. At this time, the vibration is not particularly limited, but ultrasonic vibration is used, and the metal sheath is preferably made of zirconium.

본 발명에 따른 단계 3은 조대한 금속 핵연료 입자가 충전된 상기 단계 2의 금속 시스에 미세한 금속 핵연료 입자를 진동충전시킨 후 피복관에 삽입하는 단계이다. Step 3 according to the present invention is a step of vibration-filling fine metal fuel particles in the metal sheath of step 2 filled with coarse metal fuel particles and inserting them into the cladding tube.

상기 단계 3의 미세한 금속 핵연료 입자는 상기 단계 2에서 조대한 금속 핵연료 입자를 충전시키는 방법과 동일하게 충전될 수 있으며, 상기 피복관은 스테인레스 강으로 이루어지는 것이 바람직하다. The fine metal fuel particles of step 3 may be filled in the same manner as the method of filling coarse metal fuel particles in step 2, and the coating tube is preferably made of stainless steel.

본 발명에 따른 단계 4는 상기 단계 3의 피복관에 핀형의 고체 나트륨을 장전시키고, 진공상태에서 가열하여 용해시킨 후, 불활성기체를 주입하면서 냉각시켜 고체 나트륨을 핵연료봉에 충전시키는 단계이다.Step 4 according to the present invention is a step of loading the pin-shaped solid sodium in the cladding tube of step 3, heating and dissolving in a vacuum state, and then cooling the solid sodium in the nuclear fuel rod by injecting an inert gas.

상기 단계 4는 상기 단계 3에서 균일하고, 치밀하게 적층구조를 이루고 있는 금속 핵연료 입자 사이에 핀형으로 압출된 고체 나트륨을 충전시키고, 불순물이 발 생하지 않도록 진공상태에서 가열하여 용해시킨 후, 부반응 없이 불활성기체를 공급하면서 냉각시키는 단계이다. 이때, 상기 가열은 소듐 세틀러(Na settler)를 이용하여 150 ℃ ~ 250 ℃으로 가열되는 것이 바람직하다. 상기 가열이 250 ℃를 초과하면 나트륨 내 기포가 생성되는 문제가 있고, 150 ℃ 미만이면 유동성이 낮아서 탈가스 및 분말 충전 장애를 일으키는 문제가 있다. In step 4, the solid sodium extruded in the form of pins is filled between the uniformly and densely stacked metal nuclear fuel particles in step 3, and heated and dissolved in a vacuum state so as not to generate impurities, and there is no side reaction. Cooling while supplying an inert gas. At this time, the heating is preferably heated to 150 ℃ ~ 250 ℃ using sodium settler (Na settler). If the heating exceeds 250 ℃ there is a problem that bubbles in sodium are generated, if less than 150 ℃ there is a problem of low fluidity, causing degassing and powder filling disorders.

본 발명에 따른 단계 5는 금속 핵연료 입자 및 나트륨이 충전된 피복관 내부에 진공 또는 불활성 기체 분위기를 조성하고 용접하는 단계이다. Step 5 according to the present invention is the step of creating and welding a vacuum or inert gas atmosphere inside a metal tube filled with nuclear fuel particles and sodium.

본 발명에 따른 상기 단계 5의 용접은 금속 핵연료 입자 및 나트륨이 충전된 피복관에 피복관과 같은 소재로 이루어진 커버로 봉하는 단계이다. 상기 용접은 커버로 닫은 후 핵연료 내부 공간에 잔존하는 공기를 배출시켜 진공분위기를 형성시킨 후 티그 용법, 레이저 용접 또는 전자빔 용접으로 수행되는 것이 바람직하다. 이때, 피복관 내 잔존된 공기는 핵연료 연소 중에 팽창되어 핵연료 봉을 변형시키는 문제가 있다. The welding of step 5 according to the present invention is a step of sealing with a cover made of a material such as a cladding tube in a cladding tube filled with metal fuel particles and sodium. The welding is preferably performed by using a TIG method, laser welding or electron beam welding after closing the cover to discharge air remaining in the fuel internal space to form a vacuum atmosphere. At this time, the air remaining in the cladding tube is expanded during nuclear fuel combustion to deform the fuel rod.

본 발명에 따른 단계 6은 핵연료봉을 가열시키면서 나트륨을 핵연료심에 결합시키는 단계이다. Step 6 according to the invention is a step of binding sodium to the nuclear fuel core while heating the fuel rods.

고체 나트륨을 불활성 분위기에서 진동충전시키고, 가열시켜 고체 나트륨을 용융시키는 단계이다. 상기 가열은 상기 단계 4에서 충전된 고체 나트륨을 용융시켜, 용융된 나트륨이 금속 핵연료 입자 사이를 액상으로 침투하여 열전달이 용이할 수 있도록 한다. 이때, 상기 가열은 소듐 세틀러를 이용하여 400 ℃ ~ 600 ℃으로 가열되는 것이 바람직하다. 상기 가열이 600 ℃를 초과하면 나트륨 내 기포가 생성되는 문제가 있고, 4000 ℃ 미만이면 유동성이 낮아서 핵연료분말 충전 장애를 일으키는 문제가 있다. Vibration-filled solid sodium in an inert atmosphere and heated to Melting step. The heating melts the solid sodium charged in step 4, so that the molten sodium penetrates into the liquid phase between the metal fuel particles to facilitate heat transfer. At this time, the heating is preferably heated to 400 ~ 600 ℃ using sodium setler. If the heating exceeds 600 ℃ there is a problem that bubbles in sodium are generated, if less than 4000 ℃ there is a problem that causes the fuel powder filling failure due to low fluidity.

이하, 본 발명을 하기 실시예를 통하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 제한되는 것이 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the following examples are merely to illustrate the present invention, the content of the present invention is not limited by the following examples.

<실시예 1> 금속 핵연료 입자가 봉입된 금속핵연료봉의 제조Example 1 Preparation of Metal Fuel Rod Encapsulated Metal Nuclear Fuel Particles

단계 1. 금속 핵연료 입자를 제조하고 분급시키는 단계Step 1. Prepare and classify the metal fuel particles.

순도 99.9% 열화우라늄 럼프(lump)와 순도 99.7% 지르코늄 스폰지(sponges)를 내고온 세라믹 도가니에 장입시키고 진공 분위기 형성 후, 1600 ℃에서 유도용해(induction-melting)시켜 용탕된 금속 핵연료 합금을 제조하였다. 상기 용탕된 금속 핵연료 합금을 불활성 분위기에서 직경 35 mm를 가지는 회전원반을 회전속도 7,000rpm으로 원심분무하여 직경 1mm 이하의 금속 핵연료 입자를 급속응고하여 제조하였다(도 2참조). Purified 99.9% purity uranium lumps and purity 99.7% zirconium sponges were charged in a high-temperature ceramic crucible, and then vacuum-induced, followed by induction-melting at 1600 ° C to prepare molten metal fuel alloys. . The molten metal fuel alloy was centrifugally sprayed into a rotating disk having a diameter of 35 mm in an inert atmosphere at a rotational speed of 7,000 rpm to rapidly solidify metal fuel particles having a diameter of 1 mm or less (see FIG. 2).

상기 제조된 금속 핵연료 입자를 진동형 입자분극기를 이용하여 0.1 ~ 1 mm의 조대한 금속 핵연료 입자와 0.01 ~ 0.1 mm의 미세한 금속 핵연료 입자로 분급하 였다. The prepared metal fuel particles were classified into coarse metal fuel particles of 0.1 to 1 mm and fine metal fuel particles of 0.01 to 0.1 mm using a vibrating particle polarizer.

단계 2. 금속 시스내 조대한 금속 핵연료 입자의 충전Step 2. Charging Coarse Metal Nuclear Fuel Particles in the Metal Sheath

지르코늄으로 형성된 금속 시스 하부에 진동분말 충전장치를 위치시키고, 초음파로 진동을 발생시키면서 상기 단계 1에서 분급된 조대한 핵연료 입자를 먼저 장입하였다.  The vibration powder filling device was placed under the metal sheath formed of zirconium, and coarse fuel particles classified in step 1 were first charged while generating vibration by ultrasonic waves.

단계 3. 금속 시스내 미세한 금속 핵연료 입자의 충전 및 피복관내 금속 시스 삽입Step 3. Filling the fine metal fuel particles in the metal sheath and inserting the metal sheath into the sheath.

조대한 핵연료 입자를 충전시킨 후, 진동분말 충전장치를 이용하여 0.3 mm 이하의 미세한 우라늄-지르코늄 분말을 조대한 분말사이로 충전시켰다. 이후, 금속 핵연료 입자가 충전된 금속 니스를 스테인레스 강으로 이루어진 피복관내에 삽입시켰다.After the coarse fuel particles were charged, fine uranium-zirconium powders of 0.3 mm or less were filled between the coarse powders using a vibrating powder filling device. The metal varnish filled with the metal fuel particles was then inserted into a cladding tube made of stainless steel.

단계 4. 피복관애 핀형의 고체 나트륨 충전 Step 4. Filling Sodium Filled Solid Sodium

금속 핵연료 입자사이에 고체 나트륨을 피복관에 장전하고, 1.0×10-2 torr의 진공상태에서 소듐 용해로(Na meltdown furnace)를 이용하여 200 ℃에서 고체 나트륨을 용해하고, 불활성가스를 피복관 내에 충전하며 냉각시켰다. The solid sodium is charged into the cladding tube between the metal fuel particles, the solid sodium is melted at 200 ° C. using a Na meltdown furnace in a vacuum of 1.0 × 10 −2 torr, and the inert gas is charged into the cladding tube and cooled. I was.

단계 5. 금속 핵연료 입자 및 충전된 피복관의 용접Step 5. Welding of Metal Fuel Particles and Filled Cladding Tubes

상기 단계 5의 개방된 피복관 상부에 스테인레스강 커버를 닫고 핵연료 내부 공간을 진공을 걸어 공기를 뽑아낸 후에 피복관 외통에 스테인레스강 뚜껑을 닫고 진공 또는 불활성분위기에서 전자빔으로 용접시켜 핵연료봉을 제조하였다. Closing the stainless steel cover on the top of the open cladding tube of step 5 and vacuuming the fuel inner space to extract air, the stainless steel lid was closed on the cladding tube and welded with an electron beam in a vacuum or inert atmosphere to prepare a nuclear fuel rod.

단계 6. 나트륨을 가열하며 핵연료심에 결합(bonding)Step 6. Heat sodium and bond to fuel core

금속 시스가 삽입된 피복관 하부에 진동 충전 장치를 위치시키고, 고체 나트륨을 불활성 분위기에서 피복관내에 충전시킨 후, 500 ℃로 1.5 시간 동안 가열하여 용해시켜, 적층된 핵연료 입자 사이로 액상 나트륨을 결합시켰다. 금속 시스가 삽입된 피복관 하부에 진동 충전 장치를 위치시키고, 고체 나트륨을 불활성 분위기에서 피복관내에 충전시킨 후, 500℃로 10분 동안 가열하여 용해시켜, 적층된 핵연료 입자 사이로 액상 나트륨을 충전시켰다. A vibrating filling device was placed underneath the sheath into which the metal sheath was inserted, solid sodium was charged into the sheath in an inert atmosphere, heated to 500 ° C. for 1.5 hours to dissolve, and bonded the liquid sodium between the stacked nuclear fuel particles. A vibrating filling device was placed underneath the sheath into which the metal sheath was inserted, solid sodium was charged into the sheath in an inert atmosphere and then heated to dissolve for 10 minutes at 500 ° C. to fill the liquid sodium between the stacked nuclear fuel particles.

<실시예 2> 금속 핵연료 입자가 봉입된 금속핵연료봉의 제조Example 2 Fabrication of Metal Nuclear Fuel Rod Encapsulated Metal Nuclear Fuel Particles

상기 실시예 1의 단계 1에서, 상기 용탕된 금속 핵연료 합금을 불활성 분위기에서 노즐직경 2 mm에 분무가스압 5bar로 분무하여 직경 0.3mm 이하의 우라늄-지르코늄 구형 분말입자를 급속응고하여 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 핵연료봉을 제조하였다. In Step 1 of Example 1, except that the molten metal nuclear fuel alloy was sprayed with a spray gas pressure of 5 bar at a nozzle diameter of 2 mm in an inert atmosphere to prepare a rapidly solidified uranium-zirconium spherical powder particles having a diameter of 0.3 mm or less. Was carried out in the same manner as in Example 1 to prepare a nuclear fuel rod.

<비교예 1>Comparative Example 1

감압주조법으로 제조된 금속 핵연료심Metallic Nuclear Fuel Cores Fabricated by Vacuum Casting

<분석><Analysis>

1. 금속 핵연료 입자 1. Metallic Fuel Particles

상기 실시예 1의 단계 1에서 제조된 금속 핵연료 입자 및 입자의 미세조직을 전자주사현미경으로 측정하여 도 3 및 도 4에 나타내었다.The metal nuclear fuel particles prepared in Step 1 of Example 1 and the microstructure of the particles were measured in an electron scanning microscope and are shown in FIGS. 3 and 4.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 핵연료 입자는 0.01 mm ~ 1 mm의 직경에 표면이 매끄러운 완벽한 구형입자인 것을 확인하였다.As shown in Figure 3, the metal nuclear fuel particles according to the present invention was confirmed that the perfect spherical particles with a smooth surface at a diameter of 0.01 mm ~ 1 mm.

도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 핵연료 입자의 내부는 층상조직(Laminar structure)으로 이루어져 있어 경계 계면(phase boundary)을 통해 핵분열 생성기체가 빠져나갈 수 있는 구조인 것을 확인하였다. As shown in FIG. 4, the interior of the metal fuel particles according to the present invention was composed of a laminar structure, so that the nuclear fission generating gas can escape through a phase boundary.

도 1은 본 발명에 따른 금속 핵연료봉의 개념도이고;1 is a conceptual diagram of a metal fuel rod according to the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 금속 핵연료봉의 제조방법이고;2 is a method of manufacturing a metal fuel rod according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 금속 핵연료 입자의 제조장치(a) 및 금속 핵연료 입자이고; 및3 is an apparatus (a) for producing metal fuel particles and metal fuel particles according to the present invention; And

도 4는 본 발명에 따른 금속 핵연료 입자의 단면 조직(a) 및 비교예 1의 단면조식(b)이다.Figure 4 is a cross-sectional structure (a) and cross-sectional formula (b) of Comparative Example 1 of the metal nuclear fuel particles according to the present invention.

Claims (20)

피복관 내부에 조대한 금속 핵연료 입자와 미세한 금속 핵연료 입자를 포함하는 금속 시스(sheath) 및 액체 나트륨을 포함하여 구성되는 금속 핵연료봉.A metal fuel rod comprising a metallic sheath and liquid sodium comprising coarse metal fuel particles and fine metal fuel particles in a cladding tube. 제1항에 있어서, 상기 금속 핵연료 입자는 우라늄과 지르코늄 합금; 우라늄, 지르코늄 및 희토류 원소의 합금; 및 우라늄, 지르코늄, 희토류 계열 원소, 악티늄 계열 원소의 합금인 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉.The method of claim 1, wherein the metal fuel particles are uranium and zirconium alloy; Alloys of uranium, zirconium and rare earth elements; And uranium, zirconium, rare earth-based elements, and metal nuclear fuel rods, characterized in that they are alloys of actinium-based elements. 제2항에 있어서, 상기 희토류 원소는 스칸듐, 이트륨, 란탄, 세륨 또는 프라세오디늄이고, 상기 악티늄 계열 원소는 네오디뮴, 넵투늄, 플루토늄, 아메리슘 또는 퀴륨인 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉.The metal fuel rod of claim 2, wherein the rare earth element is scandium, yttrium, lanthanum, cerium, or praseodynium, and the actinium-based element is neodymium, neptunium, plutonium, americium, or querium. 제1항에 있어서, 상기 조대한 금속 핵연료 입자는 0.1 ~ 1 mm인 것을 특징으로 하는 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속 핵연료봉.The metal fuel rod of claim 1, wherein the coarse metal nuclear fuel particles are 0.1 to 1 mm in diameter. 제1항에 있어서, 상기 미세한 금속 핵연료 입자는 0.01 ~ 0.1 mm인 것을 특징으로 하는 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속 핵연료봉.The metal fuel rod according to claim 1, wherein the fine metal fuel particles are 0.01 to 0.1 mm in diameter. 제1항에 있어서, 상기 금속 시스 내 핵연료 입자의 입자충진밀도는 70 ~ 80%인 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉.The metal nuclear fuel rod according to claim 1, wherein the particle filling density of the nuclear fuel particles in the metal sheath is 70 to 80%. 제1항에 있어서, 상기 조대한 금속 핵연료 입자와 미세한 금속 핵연료 입자의 직경비는 5:1 ~ 15:1인 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉.The metal fuel rod according to claim 1, wherein a diameter ratio of the coarse metal fuel particles to the fine metal fuel particles is 5: 1 to 15: 1. 제1항에 있어서, 상기 조대한 금속 핵연료와 미세한 금속 핵연료 입자의 혼합비는 1:1 ~ 1:9인 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉.The metal fuel rod according to claim 1, wherein the mixing ratio of the coarse metal fuel and the fine metal fuel particles is 1: 1 to 1: 9. 제1항에 있어서, 상기 금속 시스는 지르코늄, 크롬, 몰리브데늄, 탄탈륨, 텅스텐, 바나듐 및 티타늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉.The metal nuclear fuel rod according to claim 1, wherein the metal sheath comprises at least one selected from the group consisting of zirconium, chromium, molybdenum, tantalum, tungsten, vanadium and titanium. 제1항에 있어서, 상기 피복관은 스테인레스 스틸인 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉.The metal nuclear fuel rod of claim 1, wherein the cladding tube is stainless steel. 금속 핵연료 입자를 제조하고 분급시키는 단계(단계 1);Preparing and classifying metal fuel particles (step 1); 단계 1에서 분급된 조대한 금속 핵연료 입자를 금속 시스 내에 진동 충전시키는 단계(단계 2);Vibration filling the coarse metal nuclear fuel particles classified in step 1 into the metal sheath (step 2); 조대한 금속 핵연료 입자가 충전된 상기 단계 2의 금속 시스에 미세한 금속 핵연료 입자를 진동 침투 충전시킨 후 피복관에 삽입하는 단계(단계 3);Inserting the metal sheath of step 2 filled with coarse metal fuel particles into the sheath by vibrating and filling the fine metal fuel particles with fine metal fuel particles (step 3); 상기 단계 3의 피복관에 핀형의 고체 나트륨을 장전시키고, 진공상태에서 가열하여 용해시킨 후, 불활성기체를 주입하면서 냉각시켜 고체 나트륨을 핵연료봉에 충전시키는 단계(단계 4);Loading the pin-shaped solid sodium into the cladding tube of step 3, dissolving by heating in a vacuum state, and cooling the solid sodium into the nuclear fuel rod by injecting an inert gas (step 4); 금속 핵연료 입자 및 충전된 피복관 내부에 진공 또는 불활성 기체 분위기를 조성하고 용접하여 핵연료봉을 제조하는 단계(단계 5); 및Preparing a nuclear fuel rod by forming and welding a vacuum or inert gas atmosphere inside the metal fuel particles and the filled sheath (step 5); And 상기 단계 5의 핵연료봉을 가열시키면서 상기 단계 4에서 충전된 나트륨을 핵연료심에 결합(bonding)시키는 단계(단계 6)를 포함하는 금속 핵연료봉의 제조방법.Bonding the sodium charged in step 4 to the nuclear fuel core while heating the fuel rod of step 5 (step 6). 제11항에 있어서, 상기 단계 1의 금속 핵연료 입자는 우라늄과 지르코늄 합금; 우라늄, 지르코늄 및 희토류 원소의 합금; 및 우라늄, 지르코늄, 희토류 계열원소, 악티늄 계열 원소의 합금인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉의 제조방법.12. The method of claim 11, wherein the metal nuclear fuel particles of step 1 are uranium and zirconium alloy; Alloys of uranium, zirconium and rare earth elements; And uranium, zirconium, rare earth-based elements, and alloys of actinium-based elements. 제12항에 있어서, 상기 희토류 계열 원소는 스칸듐, 이트륨, 란탄, 세륨 또는 프라세오디늄이고, 상기 악티늄 계열 원소는 네오디뮴, 넵투늄, 플루토늄, 아메리슘 또는 퀴륨인 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉의 제조방법.The method of claim 12, wherein the rare earth-based element is scandium, yttrium, lanthanum, cerium, or praseodynium, and the actinium-based element is neodymium, neptunium, plutonium, americium, or querium. 제11항에 있어서, 상기 단계 1의 금속 핵연료 입자는 가스분무 또는 원심분무에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉의 제조방법.12. The method of claim 11, wherein the metal nuclear fuel particles of step 1 are produced by gas atomization or centrifugal atomization. 제11항에 있어서, 상기 단계 1에서 제조된 금속 핵연료 입자의 분급은 조대한 금속 핵연료 입자 직경과 미세한 금속 핵연료 입자 직경의 비가 5:1 ~ 15:1이 되도록 분급하는 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉의 제조방법.The method of claim 11, wherein the classification of the metal fuel particles prepared in step 1 is characterized in that the ratio of the coarse metal fuel particle diameter and the fine metal fuel particle diameter so that the ratio of 5: 1 to 15: 1 of the metal fuel rod Manufacturing method. 제15항에 있어서, 상기 조대한 금속 핵연료 입자는 0.1 ~ 1 mm인 것을 특징으로 하는 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속 핵연료봉의 제조방법.16. The method of claim 15, wherein the coarse metal nuclear fuel particles are 0.1 to 1 mm in size. 제15항에 있어서, 상기 미세한 금속 핵연료 입자는 0.01 ~ 0.1 mm인 것을 특징으로 하는 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속 핵연료봉의 제조방법.16. The method of claim 15, wherein the fine metal fuel particles are 0.01 to 0.1 mm in size. 제11항에 있어서, 상기 단계 4의 가열은 150 ℃ ~ 250 ℃인 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉의 제조방법.The method of claim 11, wherein the heating of the step 4 is a method of producing a metal fuel rod, characterized in that 150 ℃ ~ 250 ℃. 제11항에 있어서, 상기 단계 5의 용접은 티그 용접, 전자빔 용접 또는 레이저빔 용접인 것을 특징으로 하는 금속핵연료봉의 제조방법.12. The method of claim 11, wherein the welding of step 5 is TIG welding, electron beam welding, or laser beam welding. 제11항에 있어서, 상기 단계 6의 가열은 400 ℃ ~ 600 ℃인 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉의 제조방법.12. The method of claim 11, wherein the heating of step 6 is 400 ℃ ~ 600 ℃.
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